有力的新證據！超導體中量子臨界點附近存在量子漲落

2020-09-05 科學大觀園雜誌


正如黑洞是空間中的奇點，量子臨界點是量子材料不同狀態間的點狀交叉點。在這裡，有可能出現各種奇異的電子

量子臨界點（QCP）是量子材料不同狀態間的點狀交叉點。研究人員通過給材料施加強磁場、高壓，或者摻雜某些原子，可以將材料調整至QCP，由此實現超導。然而，科學家們對超導材料QCP的理解仍然相當有限。

美國能源部SLAC國家加速器實驗室科學家、斯坦福材料與能源科學研究所（SIMES）研究員Wei-Sheng Lee說：「QCP是一個非常熱門的話題。有人認為，從某種意義上講，它與黑洞非常相似。在QCP附近，科學家可以發現各種奇怪的電子行為。」

8月31日，Lee等在《自然·物理學》雜誌中報告說，他們使用共振非彈性X射線散射技術（RIXS）探測了高溫超導材料銅酸鹽的電子行為，發現了QCP及其相關漲落的確存在的有力證據。

近年來，高溫超導體研究如火如荼。目前，還沒有人了解高溫超導背後的微觀機理。銅酸鹽中是否存在QCP也充滿爭議。

在英國鑽石光源（DLS）的實驗中，研究人員將銅酸鹽冷卻到零下183攝氏度左右，使其轉變為超導材料，然後重點關注了電荷序。接著，研究人員用X射線激發銅酸鹽，並測量了散射到RIXS探測器中的X射線，以分析激發態以聲子形式在材料原子晶格中的傳播情況。同時，X射線和聲子還激發了電子的電荷序條紋，引發條紋漲落。RIXS提供的數據反映了電荷條紋行為與聲子行為之間的耦合，因此通過觀測聲子，研究人員也能測定電荷序條紋的行為。

科學家們的預期是，當電荷序條紋變弱時，激發態也會減弱。Lee說：「觀測結果非常奇怪。當超導態的電荷序變弱時，激發態反而增強了。據我所知，這是首個顯示這種『悖論式』結果的電荷序實驗。有觀點認為，這是系統接近QCP時的表現。在QCP時，量子漲落變得非常強烈，甚至『融化』了電荷序——就像加熱冰塊，增強了剛性原子晶格的熱振動，使其融化成水。兩者的區別在於，量子融化一般發生在零點溫度。我們在RIXS中觀察到的意外強電荷序激發就是量子漲落的證據。」

Lee表示，團隊正在更廣泛的溫度範圍，以及不同摻雜條件下，研究這種奇特的現象，以確定能否更準確地找到銅酸鹽材料的QCP。

SIMES理論科學家、論文作者Thomas Devereaux指出，許多相態可以在銅酸鹽和其他量子材料中產生糾纏。他說：「超導態和磁狀態、電荷序條紋強烈糾纏在一起，以至於你可以同時觀察到多種狀態。然而，受困於傳統思維方式，很多人還認為它們是非此即彼的。我們正在嘗試挖掘出更多細節。」

原創編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：程建蘭

期刊來源：《自然·物理學》

期刊編號：1745-2473

原文連結：

https://phys.org/news/2020-08-evidence-quantum-fluctuations-critical-superconductor.html

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